Tối ưu hóa thành phần môi trường tạo khí Hydro sinh học của chủng vi khuẩn kị khí Thermoanaerobacterium Aciditolerans Trau Dat phân lập tại Việt Nam bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM)

TẠP CHÍ SINH HỌC 2013, 35(4): 469-476<br /> <br /> <br /> <br /> TỐI ƯU HÓA THÀNH PHẦN MÔI TRƯỜNG TẠO KHÍ HYDRO SINH HỌC<br /> CỦA CHỦNG VI KHUẨN KỊ KHÍ Thermoanaerobacterium aciditolerans Trau Dat<br /> PHÂN LẬP TẠI VIỆT NAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐÁP ỨNG BỀ MẶT (RSM)<br /> <br /> Nguyễn Thị Yên1, Lại Thúy Hiền1, Nguyễn Thị Thu Huyền1,2*<br /> 1<br /> Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm KH & CN Việt Nam, *huyen308@gmail.com<br /> 2<br /> Trường Đại học Nguyễn Tất Thành, thành phố Hồ Chí Minh<br /> <br /> TÓM TẮT: Thế kỷ 21 là kỷ nguyên của nguồn năng lượng tái tạo, trong ñó năng lượng hydro sinh học là<br /> lựa chọn sáng giá có thể thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch ñang ngày càng cạn kiệt. Hydro sinh học ñang<br /> ñược nhiều nước quan tâm, bởi nó có nhiều ưu ñiểm và ñược tạo ra bằng con ñường lên men vi sinh vật.<br /> Chủng vi khuẩn Trau DAt phân lập ở Việt Nam có khả năng tạo khí H2 sinh học trong ñiều kiện lên men kị<br /> khí. Thể tích khí cũng như thành phần khí tạo ra của chủng vi khuẩn này phụ thuộc nhiều vào các yếu tố dinh<br /> dưỡng và ñiều kiện môi trường nuôi cấy. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của từng yếu tố dinh dưỡng trong môi<br /> trường nuôi cấy cho thấy glucose, cao nấm men, FeSO4.7H2O có tác ñộng mạnh ñến quá trình tạo khí H2 của<br /> chủng vi khuẩn Trau DAt. Sử dụng phương pháp qui hoạch hóa thực nghiệm bằng ñáp ứng bề mặt dựa trên<br /> kiểu tâm phức hợp với 3 biến là glucose, cao nấm men và FeSO4.7H2O, ñã xác ñịnh ñược sự tương tác giữa<br /> các yếu tố nêu trên cùng tác ñộng ñến thể tích khí hydro sinh học do chủng Trau DAt tạo ra. Phương pháp<br /> qui hoạch thực nghiệm cũng xác ñịnh ñược hàm lượng tối ưu của 3 yếu tố này cho quá trình tạo khí hydro là<br /> glucose 12 g/l; cao men 2,5 g/l; FeSO4.7H2O 400 mg/l. Thể tích khí thu ñược khi lên men chủng Trau DAt<br /> với các thông số tối ưu nói trên là 176,02 ml/150ml môi trường. Lên men theo mẻ với thể tích 600 ml môi<br /> trường trong ñiều kiện tối ưu thu ñược 420 ml khí hydro.<br /> Từ khóa: Hydrogen sinh học, RSM, vi khuẩn, Việt Nam.<br /> <br /> MỞ ĐẦU phương pháp này còn cho thấy vai trò tác ñộng<br /> qua lại giữa các yếu tố trong cùng một thời gian<br /> Hydro sinh học ñược coi như nguồn năng nuôi cấy với số lần thí nghiệm ít, ñánh giá ñược<br /> lượng thay thế trong tương lai do khi ñốt cháy sai số trong mỗi lần thực nghiệm theo các tiêu<br /> sinh ra năng lượng lớn, không tạo ra khí CO2, vì chuẩn thống kê, xem xét ảnh hưởng của các yếu<br /> vậy, không gây ô nhiễm môi trường. Nghiên tố với mức ñộ tin cậy cần thiết, tiết kiệm thời<br /> cứu sản xuất hydro sinh học ñã ñược nhiều quốc gian và chi phí mà vẫn ñem lại hiệu quả mong<br /> gia trên thế giới quan tâm, trong ñó có quá trình muốn. Bằng việc sử dụng phương pháp qui<br /> sản xuất khí hydro sinh học từ các vi khuẩn kị hoạch thực nghiệm, nhiều tác giả ñã chỉ ra sự<br /> khí [1, 6, 10]. Các kết quả nghiên cứu quá trình tương tác qua lại giữa các yếu tố môi trường có<br /> lên men thu khí hydro từ vi khuẩn kị khí cho tác ñộng ñến quá trình tạo khí hydro. Đồng thời,<br /> thấy quá trình này bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu sử dụng phương pháp này cũng ñã xác ñịnh<br /> tố dinh dưỡng cũng như yếu tố môi trường. Do ñược nồng ñộ tối ưu cho các yếu tố dinh dưỡng<br /> ñó, tối ưu hóa các thành phần môi trường nuôi và môi trường cho quá trình lên men tạo khí<br /> cấy nhằm nâng cao khả năng tạo khí hydro của hydro của các chủng vi khuẩn [7, 8, 9, 12].<br /> các chủng vi khuẩn rất quan trọng [1, 2, 3, 6, Trong công trình này, chúng tôi trình bày kết<br /> 11]. Gần ñây, nghiên cứu tối ưu các yếu tố môi quả tối ưu hóa ba yếu tố glucose, cao nấm men,<br /> trường ñể lên men tạo khí hydro sử dụng FeSO4.7H2O trong môi trường lên men tạo khí<br /> phương pháp qui hoạch thực nghiệm bằng ñáp hydro sinh học từ chủng vi khuẩn kị khí<br /> ứng bề mặt ñược nghiên cứu nhiều [7, 8, 12]. Thermoanaerobacterium aciditolerans Trau<br /> Sử dụng phương pháp toán học qui hoạch thực DAt bằng phương pháp qui hoạch hóa thực<br /> nghiệm cho phép xác ñịnh ñược ñiều kiện tối ưu nghiệm ñáp ứng bề mặt (Response Surface<br /> của ña yếu tố một cách chính xác và mức ñộ Methodology-RSM) và kết quả phân tích thành<br /> ảnh hưởng của các yếu tố ñến quá trình tạo khí phần khí khi lên men ở thể tích 600 ml dịch<br /> hydro trong cùng một thời ñiểm. Thêm vào ñó, nuôi cấy trong ñiều kiện tối ưu tìm ñược.<br /> <br /> 469<br />  Nguyen Thi Yen, Lai Thuy Hien, Nguyen Thi Thu Huyen<br /> <br /> VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU nghiệm lặp tại tâm, với 1 hàm mục tiêu là thể<br /> Chủng giống và môi trường nuôi cấy tích khí trên tổng thể tích môi trường nuôi cấy.<br /> Chủng vi khuẩn kị khí Các thí nghiệm cho nghiên cứu tối ưu ñược<br /> Thermoanaerobacterium aciditolerans Trau tiến hành với thể tích dịch môi trường 150 ml<br /> DAt ñược phân lập trên môi trường chọn lọc trong bình nuôi có thể tích 150 ml ở ñiều kiện kị<br /> NMV từ mẫu phân trâu Đông Anh, Hà Nội [4]. khí, nhiệt ñộ 55oC với tỷ lệ tiếp giống (giống<br /> ñang ở pha sinh trưởng) 10% (v/v), tuổi giống<br /> Môi trường nuôi cấy chủng vi khuẩn Trau ñang ở pha sinh trưởng.<br /> DAt là môi trường NMV [4].<br /> Xử lý số liệu<br /> Phương pháp<br /> Xử lí số liệu thực nghiệm bằng phần mềm<br /> Nuôi cấy vi khuẩn kị khí trên môi trường thống kê Design-Expert 7.1 (Stat-Ease, Inc.,<br /> chọn lọc NMV. Minneapolis, USA) ñể phân tích các hệ số hồi<br /> Sử dụng phương pháp qui hoạch hóa thực qui, bề mặt ñáp ứng và tối ưu hóa với thuật toán<br /> nghiệm bằng ñáp ứng bề mặt ñể thiết kế ma trận hàm mong ñợi.<br /> thực nghiệm [4].<br /> KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Xác ñịnh thể tích khí hydro bằng phương<br /> pháp thế chỗ nước (water displacement method) Chọn miền khảo sát<br /> [4]. Khi nghiên cứu ñiều kiện môi trường phù<br /> Phân tích chất lượng và hàm lượng khí hợp cho tạo khí hydro của chủng<br /> hydro bằng máy sắc kí khí GC-TCD (Thermo Thermoanaerobacterium aciditolerans Trau DAt<br /> Trace GC-Thermo Electro-USA) với phương cho thấy, quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu<br /> pháp thử EDC VI-003 GC [4]. tố như tỷ lệ tiếp giống, nguồn cacbon, nguồn<br /> Thiết kế thí nghiệm và xử lý số liệu nitơ, hàm lượng FeSO4.7H2O, pH... Trong ñó, ba<br /> yếu tố glucose, cao nấm men và sắt ảnh hưởng<br /> Phương pháp qui hoạch thực nghiệm mạnh ñến khả năng sinh khí của chủng Trau DAt<br /> Xác ñịnh hàm lượng tối ưu của 3 yếu tố ảnh (kết quả chưa công bố). Vì vậy, trong nghiên cứu<br /> hưởng glucose, cao nấm men, FeSO4.7H2O này, chúng tôi chọn miền khảo sát của ba yếu tố<br /> bằng cách sử dụng qui hoạch trực giao ñối này ñể tiến hành tối ưu ñiều kiện nuôi cấy của<br /> xứng, mỗi yếu tố tiến hành tại 3 mức (-1, 0, +1) chủng vi khuẩn Trau DAt như sau: glucose 8-12<br /> như trong bảng 1. Qui hoạch thực nghiệm ñưa g/l, cao nấm men 2,5-3,5 g/l, FeSO4.7H2O 400-<br /> ra bảng ma trận thực nghiệm gồm 20 thí 600 mg/l với hàm mục tiêu là thể tích khí tạo ra<br /> nghiệm, trong ñó: 16 thí nghiệm tại tâm (qui trên thể tích dịch nuôi cấy. Mối tương quan giữa<br /> hoạch toàn phần 24), 8 thí nghiệm tại ñiểm sao giá trị mã hóa và giá trị thực ñược chỉ ra ở bảng 1<br /> (2 thí nghiệm cho mỗi biến) trong ñó có 3 thí và phương trình (1).<br /> <br /> Bảng 1. Giá trị mã hóa và giá trị thực nghiệm của các yếu tố thực nghiệm<br /> Biến số Ký hiệu Đơn vị Ký hiệu giá trị mã hóa<br /> -1 0 +1<br /> Glucose (A) X1 g/l 8 10 12<br /> Cao nấm men (B) X2 g/l 2,5 3 3,5<br /> FeSO4.7H2O (C) X3 mg/l 400 500 600<br /> xi=(Xi-Xo)/∆Xi (1). Trong ñó, xi là giá trị mã hóa của yếu tố biến thiên thứ i, Xi là giá trị thật của yếu tố thứ i,<br /> Xo là giá trị thật của Xi tại ñiểm trung tâm, ∆Xi là bước nhảy.<br /> <br /> Thiết lập mô hình Bảng 2 gồm 20 thí nghiệm tương ứng là 20 giá<br /> Giá trị mã hóa, kết quả thiết kế với ma trận trị khác nhau của ba yếu tố glucose, cao nấm<br /> kế hoạch thực nghiệm ñược trình bày ở bảng 2. men, FeSO4.7H2O và thể tích khí thu ñược<br /> <br /> <br /> 470<br />  TẠP CHÍ SINH HỌC 2013, 35(4): 469-476<br /> <br /> tương ứng với các giá trị ba yếu tố trên. Yi=βo + ∑ki=0 βixi + ∑ βiixi^2 + ∑ βijxixj (1)<br /> Ảnh hưởng của các yếu tố glucose, cao nấm<br /> men, FeSO4.7H2O cũng như sự tương tác giữa Trong ñó, Yi là hàm mục tiêu, βo là hệ số tự<br /> các yếu tố ñến hàm mục tiêu (thể tích khí thu do, βi, βii, βij là các vectơ tham số của mô hình<br /> ñược) ñược tiến hành xây dựng bởi hàm hồi qui ñược xác ñịnh qua thực nghiệm. Mô hình thống<br /> bậc 2 cho hàm mục tiêu (thể tích khí do chủng kê chỉ có ý nghĩa và ñược sử dụng sau khi thỏa<br /> Trau DAt tạo thành) như sau: mãn các tiêu chuẩn thống kê (Fisher).<br /> <br /> Bảng 2. Ma trận thực nghiệm với 3 yếu tố glucose, cao nấm men, FeSO4.7H2O và kết quả thí nghiệm<br /> Glucose Cao nấm men FeSO4.7H2O<br /> Thể tích<br /> Ký hiệu<br /> Nồng ñộ Ký hiệu Nồng ñộ Ký hiệu Nồng ñộ khí*<br /> STT mức<br /> Glucose mức tiến cao nấm mức tiến FeSO4.7H2O (ml/150ml<br /> tiến<br /> (g/l) hành men (g/l) hành (mg/l) dịch nuôi)<br /> hành<br /> 1 6,64 -1 3,00 0 500,00 0 71,00<br /> 2 10,00 0 3,00 0 500,00 0 90,00<br /> 3 8,00 -1 2,50 -1 400,00 -1 65,68<br /> 4 8,00 -1 3,50 +1 400,00 -1 68,98<br /> 5 10,00 0 3,00 0 500,00 0 90,00<br /> 6 8,00 -1 3,50 +1 600,00 +1 80,00<br /> 7 12,00 +1 2,50 -1 600,00 +1 86,60<br /> 8 10,00 0 3,00 0 500,00 0 90,00<br /> 9 10,00 0 3,84 +1 500,00 0 89,00<br /> 10 10,00 0 3,00 0 331,82 -1 54,90<br /> 11 12,00 +1 3,50 +1 600,00 +1 88,60<br /> 12 10,00 0 3,00 0 500,00 0 90,05<br /> 13 8,00 -1 2,50 -1 600,00 +1 71,08<br /> 14 10,00 0 3,00 0 668,18 +1 73,00<br /> 15 13,36 +1 3,00 0 500,00 0 88,42<br /> 16 10,00 0 2,15 -1 500,00 0 85,00<br /> 17 12,00 +1 3,50 +1 400,00 -1 74,00<br /> 18 10,00 0 3,00 0 500,00 0 91,00<br /> 19 10,00 0 3,00 0 500,00 0 90,05<br /> 20 12,00 1 2,50 -1 400,00 -1 75,55<br /> <br /> Phân tích sự có nghĩa của mô hình với FeSO4.7H2O và từng cặp các yếu tố này ñều có<br /> thực nghiệm giá trị p